淺析降低無氧化輥底式熱處理爐天然氣消耗的途徑

楊東峰，李倩倩

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 無錫 214000）

熱處理分廠淬火爐為無氧化輥底式熱處理爐，氮氣保護性氣氛；加熱形式為輻射管無氧化加熱，使用的燃燒介質為天然氣；最高爐溫為1000℃。主要生產容器板、鍋爐班、造船板、橋梁板、模具鋼、低合金高強度鋼板、高強度鋼板等的淬火和正火，為熱處理分廠核心設備之一。熱處理爐存在著熱效率不高、熱處理工件的品質不穩定、低效益高能耗等問題，甚至對環境造成一定的污染。通過對現場使用的淬火爐的工作過程進行分析，動態控制加熱過程，優化熱處理工藝技術參數，提高燃燒效率，可以節省天然氣的消耗量，有效地降低生產成本，改善工作條件和對環境的影響，也保證了熱處理品質[1]。

1 現狀分析

熱處理的淬火爐自從2011 年投產使用至今，將近9 個年頭，隨著產量的逐年增加，天然氣單耗也在逐年提高。隨著設備的管理水平、點檢水平以及操作水平的提升，我們發現，造成淬火爐的能耗，除了設備陳舊，爐內耐材、纖維制品的襯里老化、脫落等客觀原因外，主要還是由于燃燒系統故障。特別是隨著燃燒系統使用年份的增加，輻射管及內部陶瓷內管、換熱器和燃燒室等部件會出現破損和老化。隨著燃燒系統故障率的逐年升高，加熱過程中會逐步出現鋼板溫度分布不均、輻射管破損導致鋼板表面質量缺陷的現象。所以，燃燒系統故障率升高直接影響熱處理鋼板的加熱效果和性能的穩定性，也導致輻射管燃燒系統常維護量增大[2]。

表1 2018 年與2019 年能耗對比

與2018 年相比，2019 年平均天然氣單耗上升了4.72%，平均班產量下降了14.6%。因此，面對公司逐年增加的提產增效、降本增效的任務，如何降低淬火爐能耗、提高淬火爐生產效率，是分廠成本管理工作的重中之重。

2 原因分析

淬火爐共分為10 個溫度控制段，共244 個燒嘴，采用的是輻射管專用的混合型天然氣燒嘴，這種燒嘴通過空氣與天燃氣的多級混合，實現分段燃燒，形成較長的火焰形狀，從而保證沿輻射管長度方向上的溫度均勻性。

根據統計，2019 年，頻繁報故障的燒嘴在25%以上，同時，通過對所有燒嘴的空燃比和煙氣成分進行檢測后，發現有163 支燒嘴的空燃比不能滿足要求，煙氣中CO 含量＞1000ppm，超標排放，天然氣不能完全燃燒，導致供熱能力不足，造成能源的浪費。主要原因有以下幾點。

（1）空氣電磁閥濾網堵塞嚴重，導致空氣量變少，不滿足完全燃燒所需要的空氣量。

（2）陶瓷內管安裝尺寸不滿足圖紙要求、燒嘴陶瓷內管與燃燒室開裂會造成輻射管內氣流混亂，火焰直接燒到輻射管上，導致輻射管壽命縮短

（3）換熱器翅片堵塞嚴重。由于長期的不完全燃燒，最終使燃料熱解和裂化，析出的碳粒因無法燃盡而沉積下來，這樣便在換熱器的翅片上形成積灰，從而影響煙氣的循環，導致空氣預熱溫度下降。

圖1 燒嘴煙氣成分檢測

表2 空燃比參數表

圖2 不完全燃燒造成換熱器翅片堵塞

3 改進措施

3.1 空燃比優化至最佳

淬火爐的燃燒介質是天然氣，根據化學反應式：CH4+2O2=CO2+2H2O，在理想情況下，天然氣完全燃燒時，煙氣中的CO 含量為零。在實際條件下，天然氣通過燒嘴完全燃燒時必需通入大于理論空氣消耗量的過?？諝饬浚@部分過剩空氣量是為了彌補各種不理想因素，使空氣與天然氣充分混合，混合程度越好，則燃燒過程越短，單位時間內釋放出的熱量越多，燃燒溫度越高，所以煙氣中會有4%～5%左右的O2[3]。

從燒嘴的設計參數和保護輻射管的角度，根據現場實際情況，通過計算，不同功率的燒嘴空燃比必須滿足下表中的要求。

根據上表中參數要求，對燒嘴進行逐個檢測，同時滿足空氣壓差、燃氣壓差和煙氣成分的要求，方認為燒嘴空燃比滿足要求。不滿足要求的燒嘴，從空氣濾網、陶瓷內管安裝尺寸、換熱器、燃燒室、電極絲等方面進行改進。

3.2 管理標準化、數字化

通過摸索和調整之后，在燃燒系統的日常管理和維護過程中，要做到標準化、數字化，并做好記錄。

（1）正常運行3個月后應檢查電極是否有明顯的變形或損壞，并清潔一次。

（2）正常運行6 個月后檢查燒嘴是否有明顯的損壞。檢查燒嘴、排煙管。

（3）陶瓷燃燒室，陶瓷導焰管、電極、電磁閥過濾網、墊圈等，如有必要，更換并加裝新的墊圈。

（4）維護之后檢查燃氣和空氣壓力，和原調試壓力設定記錄進行比較。

4 改進效果

班產量對比。

（1）最高班產量：調節前，由于供熱能力不足，導致常規鋼種正常工藝的班產量最高只能達到270；調節后，最高班產量可以達到340t，產能提升了25.9%。

（2）平均班產量：調節前，由于供熱能力不足，平均班產量216.2t；調節后，平均班產量278.5t，產能提升了28.8%。

（3）平均單耗：按照燒嘴參數，利用測壓表和煙氣分析儀將燒嘴空燃比調至最佳，稍作故障完好率提升至95%以上，天然氣單耗下降了13.43%。

表3 調節空燃比前后產量和單耗的對比

5 結論

（1）實現數字化、標準化點檢：對不同形式、不同功率和不同燃燒方式的燒嘴進行分級管控，測算、優化孔板尺寸，制定相應的空燃比參數并做好臺賬記錄，最終形成一套完善的數字化點檢標準并固化，充分發揮燒嘴的供熱能力，提高產能，服務于生產。

（3）功能精度持續改進：爐溫控制精度由原來的±10℃提升到±8℃，每月由生產技術室跟蹤分析并提出改進要求，設備積極配合，定期做爐溫均勻性測試，爐內氣氛的在線監控和離線檢測，為鋼板性能滿足客戶要求提供保障。

（3）全員設備管理：推進操作工參與燒嘴點檢的工作，讓操作工掌握燒嘴狀態，將燒嘴完好率控制在95%以上。